Nella sua forma liquida sfusa, sia in una vasca da bagno che in un oceano, l'acqua è una sostanza relativamente benigna con poca attività chimica. Ma giù alla scala di minuscole goccioline, l'acqua può diventare sorprendentemente reattiva, I ricercatori di Stanford hanno scoperto.

In microgoccioline d'acqua, solo milionesimi di metro di larghezza, una parte dell'H ₂ Le molecole di O presenti possono convertirsi in un cugino chimico stretto, perossido di idrogeno, h ₂ oh ₂ , una sostanza chimica aggressiva comunemente usata come disinfettante e agente sbiancante per capelli.

Gli scienziati di Stanford hanno segnalato per la prima volta questo comportamento inaspettato in microgoccioline d'acqua spruzzate con la forza l'anno scorso. Ora in un nuovo studio, il team di ricerca ha dimostrato che la stessa trasformazione Jekyll-and-Hyde si verifica quando le microgoccioline si condensano semplicemente dall'aria sulle superfici fredde. I nuovi risultati suggeriscono che la trasformazione del perossido di idrogeno nell'acqua è un fenomeno generale, che si verificano nelle nebbie, nebbie, gocce di pioggia e ovunque si formino naturalmente microgoccioline.

La sorprendente scoperta potrebbe portare a metodi più ecologici per disinfettare le superfici o promuovere reazioni chimiche. "Abbiamo dimostrato che il processo di formazione del perossido di idrogeno nelle goccioline d'acqua è un fenomeno diffuso e sorprendente che sta accadendo proprio sotto i nostri nasi, ", ha affermato l'autore senior dello studio Richard Zare, la Marguerite Blake Wilbur Professor in Scienze Naturali e un professore di chimica alla Stanford School of Humanities and Sciences.

I ricercatori ipotizzano anche che questa capacità chimica dell'acqua recentemente riconosciuta avrebbe potuto svolgere un ruolo chiave nel far ripartire la chimica per la vita sulla Terra miliardi di anni fa, oltre a produrre il primo ossigeno atmosferico del nostro pianeta prima che emergesse la vita. "Questa produzione spontanea di perossido di idrogeno potrebbe essere una parte mancante della storia di come si sono formati i mattoni della vita all'inizio, " ha detto Zare.

I co-autori principali del nuovo studio, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , sono gli scienziati dello staff di Stanford Jae Kyoo Lee e Hyun Soo Han.

Insieme a Zare e ad altri colleghi di Stanford, L'anno scorso Lee e Han hanno scoperto la produzione di perossido di idrogeno nelle microgoccioline d'acqua. Alcuni ricercatori esterni che hanno esaminato i risultati dello studio erano scettici, Zare ha detto, che un fenomeno così potenzialmente comune potrebbe essere rimasto sconosciuto per così tanto tempo. Ne seguì anche un dibattito su come si sarebbe effettivamente formato il perossido di idrogeno.

"L'argomento era che le persone hanno studiato gli aerosol d'acqua per anni, e naturalmente l'acqua è onnipresente ed è stata studiata intensamente sin dagli albori della scienza moderna, quindi se questa formazione di perossido di idrogeno nelle microgoccioline fosse reale, sicuramente qualcuno l'avrebbe già visto, " ha detto Zare. "Questo ci ha portato a voler esplorare ulteriormente il fenomeno, per vedere in quali altre circostanze potrebbe verificarsi, oltre a saperne di più sulla chimica fondamentale in corso."

Microgoccioline fatte in un altro modo

Zare e colleghi hanno deciso di indagare sulla condensa, uno scenario in cui le microgoccioline si formano facilmente in modo naturale, senza l'ausilio di una forza esterna come uno strumento nebulizzatore. La condensazione si verifica quando il vapore acqueo (gas) nell'aria si trasforma in un liquido al contatto con una superficie più fredda; ad esempio, quando lo specchio del bagno si appanna dopo la doccia.

Il team di Stanford ha condensato l'acqua in più materiali refrigerati, compreso il silicio, bicchiere, plastica e metallo. I ricercatori hanno quindi pulito una striscia reattiva che cambia colore in presenza di perossido di idrogeno sull'acqua condensata. Abbastanza sicuro, la striscia è diventata blu. Il basso, tuttavia le quantità rilevabili di perossido di idrogeno (dell'ordine di parti per milione) che si sono formate variavano in base a fattori quali la temperatura della superficie e l'umidità relativa nella camera di prova. I ricercatori hanno anche notato che il perossido di idrogeno formato nelle microgoccioline si è diluito man mano che le dimensioni delle goccioline d'acqua crescevano, il che potrebbe spiegare perché questa trasformazione chimica è stata trascurata per così tanto tempo.

I nuovi esperimenti supportano anche l'ipotesi iniziale dei ricercatori su come si stava formando il perossido di idrogeno. Hanno dimostrato che un forte campo elettrico generato all'interfaccia tra acqua e aria, proprio alla periferia della microgoccia, sembra attivare molecole d'acqua, formando varie cosiddette specie reattive dell'ossigeno. Queste specie sono frammenti molecolari instabili che possono reagire rapidamente con altre molecole per produrre perossido di idrogeno.

Un processo sempre con noi e ben prima di noi

Una chimica di questo tipo a livello di microgoccioline potrebbe aver potenziato la transizione chimica dalla non vita alla vita sulla Terra più di quattro eoni fa, ha detto Zare. L'origine della vita ha una sorta di dilemma dell'uovo o della gallina, dove molecole catalizzatrici che accelerano le reazioni chimiche, e che sembrano necessarie per far ripartire la chimica della vita, richiedono in primo luogo la vita stessa per produrre le molecole catalizzatrici. Ma la creazione naturale del perossido di idrogeno potrebbe invece aver promosso reazioni che portano ai mattoni molecolari che alla fine si sono assemblati in complessi, entità autoreplicanti.

Zare ipotizza che questa antica e diffusa reazione chimica potrebbe anche aver fornito una fonte di ossigeno per i primi anni di vita (poiché il perossido di idrogeno si scompone in molecole di acqua e ossigeno) prima della comparsa di organismi in grado di produrre essi stessi ossigeno attraverso la fotosintesi.

Il team di Zare sta attualmente esaminando come la produzione di perossido di idrogeno tramite microgoccioline potrebbe essere sfruttata per scopi di pulizia e disinfezione. Una possibilità intrigante, Zare suggerisce, sta usando microgoccioline e il loro assistente H ₂ oh ₂ per eliminare SARS-CoV-2 (il virus che causa il COVID-19) dalle superfici.

"Con questo nuovo studio e il nostro continuo lavoro, stiamo spiegando come e perché le goccioline d'acqua sono così marcatamente diverse dall'acqua sfusa in termini di reattività chimica, " disse Zare. "È incredibile che dal punto di vista della chimica, l'acqua ha ancora qualche asso nella manica".